摘要: 隨著我國國民經濟不斷發展和人民生活的迅速提高。業主及建筑師的創新藝術使得高層建筑發展被廣泛應用。高層建筑結構設計給工程設計人員提出了更高的要求，本文就高層建筑結構設計過程中的常見問題進行一些探討。

　　關鍵詞：建筑設計師評職論文,發表論文期刊網,高層建筑,結構設計,常見問題

　　高層建筑隨著城市化的發展越來越多樣化，而出現的問題也更加復雜。隨著層數和建筑高度增加，利用結構空間作用，又發展了框架—簡體結構、簡中簡結構、多簡結構和巨型結構等多種結構體系。高層建筑結構的承載能力、側移剛度、抗震性能、材料用量和造價高低，與其采用結構體系有著密切關系。不同結構體系，適用于不同層數、高度和功能的建筑。在高層結構設計中，水平力是控制的主要因素，在地震區水平力是高層建筑結構設計的決定因素。剪力墻結構剛度大、周期短、地震作用大，在設計中應注意調整結構剛度。總之，伴隨著建筑類型與功能越來越復雜，結構體系更加多樣化，高層建筑的結構設計也成為結構工程師設計工作的主要重點和難點。

　　一、高層建筑結構設計的特點

　　1.水平荷載成為決定因素

　　一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與樓房高度的一次方成正比;而水平荷載對結構產生的傾覆力矩,以及由此在豎向構件中引起的軸力,是與樓房高度的兩次方成正比;另一方面，對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。

　　2.軸向變形不容忽視

　　高層建筑中，豎向荷載數值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續梁彎矩產生影響造成連續梁中問支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大;還會對預制構件的下料長度產生影響，要求根據軸向變形計算值對下料長度進行調整;另外對構件剪力和側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。

　　3.側移成為控制指標

　　與較低樓房不同，結構側移已成為高層建筑結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。

　　4.構延性是重要設計指標

　　相對于較低樓房而言，高層建筑結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當的措施，來保證結構具有足夠的延性。

　　二、高層建筑結構設計的主要步驟

　　二、

　　1.確定合理的基礎設計方案

　　在進行高層建筑的基礎設計過程中，要結合當地的地質條件、荷載的具體分布、上部的結構類型以及相鄰建筑的影響和施工條件等各項因素進行分析，選擇合理性、經濟性的基礎方案。在設計過程中，地基的潛力要充分發掘，如有必要要對地基的變形進行計算。在基礎設計過程中，地質勘察材料就已經完整的形成，如果建筑缺乏相應的地質報告，則要到現場查看，鄰近的建筑物資料也可作為參考。

　　2.確定最佳結構方案

　　一個成功的建筑結構設計，一定是最經濟、最合理的方案。結構體系的設計不但要明確其受力，還要便于傳力，不同的結構體系不可混用于相同的結構單元。所以在進行結構設講地，工程的設計要求、施工情況以及材料供應等均要作用綜合分析的因素，與水、電、暖等同時進行協商，以此為基礎進行結構的選型，最終確定出最佳方案。

　　3.確定適用的計算簡圖

　　結構計算是以計算簡圖為基礎的，而實際結構設計中因為計算簡圖的不合理而導致結構不安全的問題時有發生，因此，計算簡圖的適用性、合量性也是保證結構安全的重要因素之一。由于實際結構的節點不是單純的剛結，因此計算簡圖要有相應的構造來保證，不過其誤差不可超出相關標準規定的范圍。

　　4.分析計算結果

　　現在計算機技術在高層建筑的結構設計中得到了廣泛的應用，但是由于其軟件種類眾多，不同類型的軟件由于其算法不同，有可以得出不同的計算結果。因此設計人員在利用計算時，如果發現程序和某個結構的實際情況不符，或者存在人工輸入的錯誤，甚至軟件自身的缺陷等都要及時查找原因并糾正，以保證計算結果的準確性。

　　5.采用合理的構造方法

　　高層建筑結構設計的過程中，要對構件的延性尤為注意，對其薄弱位置更加關注。鋼筋錨固的長度要注意，尤其是鋼筋直線段的錨固長度，而且溫度應力對其所造成的影響也要考慮進去。此外，平面、立面的布置要遵循對稱、均勻、規范的原則，盡量不要出現薄弱部分，并且要通過極限狀態做驗算。

　　三、選擇合理的結構體系問題

　　1.結構的規則性問題

　　新舊規范在這方面的內容出現了較大的變動，新規范在這方面增添了相當多的限制條件，例如：平面規則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規范采用強制性條文明確規定“建筑不應采用嚴重不規則的設計方案。”因此，結構工程師在遵循新規范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設計階段工作被動。

　　2.結構的超高問題

　　在抗震規范與高規中，對結構的總高度都有嚴格的限制，尤其是新規范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設定為a級高度的建筑外，增加了b級高度的建筑，因此，必須對結構的該項控制因素嚴格注意，一旦結構為b級高度建筑甚或超過了b級高度，其設計方法和處理措施將有較大的變化。

　　3.嵌固端的設置問題

　　由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結構整體計算時嵌固端的設置結構抗震縫設置與嵌固端位置的協調等等問題，而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患。

　　4.短肢剪力墻的設置問題

　　在新規范中，對墻肢截面高厚比為5-8的墻定義為短肢剪力墻，且根據實驗數據和實際經驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制，因此，在高層建筑設計中，結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。

　　四、正確認識高層建筑的受力問題

　　選擇合理的結構類型高層建筑從本質上講是一個豎向懸臂結構, 垂直荷載主要使結構產生軸向力與建筑物高度大體為線性關系; 水平荷載使結構產生彎矩。從受力特性看, 垂直荷載方向不變,隨建筑物的增高僅引起量的增加;而水平荷載可來自任何方向, 當為均布荷載時, 彎矩與建筑物高度呈二次方變化。從側移特性看, 豎向荷載引起的側移很小, 而水平荷載當為均布荷載時, 側移與高度成四次方變化。由此可以看出, 在高層結構中, 水平荷載的影響要遠遠大于垂直荷載的影響, 水平荷載是結構設計的控制因素, 結構抵抗水平荷載產生的彎矩、剪力以及拉應力和壓應力應有較大的強度外, 同時要求結構要有足夠的剛度, 使隨著高度增加所引起的側向變形限制在結構允許范圍內。

　　五、高層建筑結構設計中的扭轉問題

　　建筑結構的幾何形心、剛度中心、結構重心即為建筑三心，在結構設計時要求建筑三心盡可能匯于一點，即三心合一。結構的扭轉問題就是指在結構設計過程中未做到三心合一，在水平荷載作用下結構發生扭轉振動效應。為避免建筑物因水平荷載作用而發生的扭轉破壞，應在結構設計時選擇合理的結構形式和平面布局，盡可能地使建筑物做到三心合一。

　　在水平荷載作用下，高層建筑扭轉作用的大小取決于質量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻，減輕結構的扭轉振動，應使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡單平面形式。在某些情況下，由于城市規劃對街道景觀的要求以及建筑場地的限制，高層建筑不可能全部采用簡單平面形式，當需要采用不規則l形、t形、十字形等比較復雜的平面形式時，應將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規范允許的范圍之內，同時，在結構平面布置時，應盡可能使結構處于對稱狀態。

　　六、軸向變形問題

　　任何建筑結構在外力作用下產生的位移都包括彎曲、軸向變形和剪切變形三部分。在低層建筑結構設計中，通常只考慮彎曲變形，而忽略鈾向變形和剪切變形的影響，因為一般結構構件的軸力和剪力產生影響較小，可不考慮。而高層建筑由于層數多、軸力大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會對高層結構的內力產生很大影響。此外，高層結構中的剪力墻的截面也往往很大。因此，剪切變形的影響不可忽略。

　　采用框架體系和框架—剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸向壓力往往大于邊柱的鈾向壓力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當房屋很高時，此種差異軸向變形將會達到較大的數值，其后果相當于連續梁的中間支座產生沉陷，從而使連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。故在高層建筑設計中，軸向變形不能不考慮。

　　在高層建筑結構的力學計算中，根據所選計算手段，所計算的構件變形因素是有區別的。對于簡化助手計算方法，一般只計算最基本的變形。采用計算機方法計算時，計算的變形因素要多一些。當用空間協同工作方法時，考慮了梁的彎曲、剪切變形，考慮了柱、剪力墻的彎曲、剪切和軸向變形;當用完全的三維空間分析方法時，除考慮了前面全部變形外，還增加了梁、柱、剪力墻的扭轉變形，以及剪力墻墻體截面的翹曲變形。

　　七、高層建筑結構設計的抗震問題

　　地震是難以預測以及精確計算的，地震作用而使建筑物承受的力，因地震作用的大小、地基的堅固度，以及建筑物固有的周期而異。地震作用的大小被評估為靜態的水平力，通常都會隨著建筑物的高度的增加，建筑物水平力的比例就會變小。對于某一方向的地震作用，相同方向的抗震要素的抵抗，會與其剛度成正比。

　　1.施加于建筑物的地震作用

　　由震源傳來的地震波，當地表附近的地基越軟弱時就越會增強，而且隨著建筑物增高及固有周期變長時，搖動的力就變小，而且越到建筑物的上方樓層，搖動的力(加速度)就有變大的傾向。基于這些因素的考慮，定出施加于建筑物的地震作用，這被當作施加于建筑物各樓層的水平力來評估。

　　2.抗震因素的配置

　　毫無疑問，建筑物會從各方向承受地震作用，如果將整體建筑物當作是二維框架的集合體去考慮力的傳遞就容易使人理解。與地震作用的水平方向平行的框架負擔著水平力，各層柱子與抗震墻等則按剛度比例負擔地震作用。

　　3.構架的變形抵抗

　　對結構體施加水平力時，若超過其支承的彈性限度，變形就會急遽地增加，達到最大強度。在設計時，對于頻度高的地震，通常都停留在支承力的彈性極限以下，大地震時則不要超過其最大強度。

　　4.構件的強度與韌性關系

　　強度大的抗震因素不需要韌性。墻壁與斜撐的韌性較小，框架構架的韌性較大。

　　5.抗震因素平面上的平衡

　　抗震因素平面上的平衡不良的建筑物，在承受地震作用時容易產生伴隨扭力回轉的變形，剛性弱的部分就會產生很大的變形，使該部分的破壞有增大之虞。由于地震作用是屬于慣性力，因此力的作用中心要與重心一致。所謂的在平面上采取平衡，也就是地震作用的中心，亦即重心與抗震因素之剛度的中心(被稱作剛心)必須一致。即使平面上的剛性(框架的剛度)一致的建筑物，當它向后退縮時，由于下方樓層的重心會從中心偏離，將會產生失穩。此外，如抗震墻與鋼骨框架之類的剛度大的抗震因素呈偏心配置的建筑物，就容易產生失穩。

　　6.抗震因素之剖面上的平衡

　　當抗震因素的剛度在上下方向不均勻，且硬樓層部與軟樓層部混合在一起時，地震作用就會集中于軟樓層部，使該樓層部分承受的力及變形變大，會有增大破壞之虞。尤其是二樓以上的部分墻壁多且一樓沒有墻壁的建筑物，稱作懸挑建筑物，有許多在地震時會發生一樓瓦解的破壞。建筑物由幾種構架構成，且各種構架的上下方向能夠采取平衡時則很理想，而以各層之框架的剛度總和采取平衡亦可。

　　結語

　　高層建筑結構設計是一個長期、復雜甚至循環往復的過程，任何在這個過程中的遺漏或錯誤都有可能使整個設計過程變得更加復雜或使設計結果存在不安全因素。所以把每個重要問題都考慮全面了，才能保證結構設計的安全。

　　參考文獻：

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